面向?qū)ο蟮腍9000 V6.0系統(tǒng)主要技術(shù)特征

王德寬，文正國，黃　帆

（1.北京中水科水電科技開發(fā)有限公司，北京 100038；2.湖北清江水電開發(fā)有限責任公司，湖北 宜昌 443000）

1　引言

近10年來，我國水電行業(yè)電氣二次領域的熱點不斷向智能化方向轉(zhuǎn)移，廣大水電用戶迫切希望早日進入智能水電廠行列，各研制單位也紛紛推出形形色色的智能水電廠解決方案，一時熱鬧非凡。

作為水電自動化解決方案的主要研制單位之一，北京中水科水電科技開發(fā)有限公司一直在思考，究竟什么是智能水電廠？我們應該為用戶提供什么樣的水電智能化解決方案？

根據(jù)我們多年來積累的豐富的水電自動化、信息化技術(shù)開發(fā)與應用的經(jīng)驗，經(jīng)幾年來的慎重思考，與廣大用戶和設計單位的反復交流，提出了水電廠智能一體化平臺的總體架構(gòu)及層次結(jié)構(gòu)[1-3]，特別是2016年起與清江水電開發(fā)有限責任公司的項目合作，提出了面向?qū)ο蟮目刂葡到y(tǒng)概念，經(jīng)過近兩年的開發(fā)，中水科技將于近期推出全新的面向?qū)ο蟮腍9000 V6.0計算機監(jiān)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)也將成為中水科技智能水電廠解決方案--iP9000智能一體化平臺的核心。

本文將首先介紹H9000 V6.0系統(tǒng)的主要技術(shù)特點、系統(tǒng)架構(gòu)、主要功能、特點及為用戶帶來的增值服務，最后介紹用H9000 V6.0構(gòu)建iP9000智能一體化平臺的總體思路。

2　H9000 V6.0的設計原則

作為全新的面向?qū)ο蟮乃娪嬎銠C監(jiān)控系統(tǒng)，H9000 V6.0系統(tǒng)首要問題是解決智能電網(wǎng)時代水電廠眾多自動化、信息化應用的互聯(lián)、互通、互動問題。H9000 V6.0系統(tǒng)的主要設計原則如下：

(1)作為iP9000智能一體化平臺的核心，不僅應滿足高可靠性水電控制系統(tǒng)的功能性能要求，還應具有足夠的開放性，支持第三方應用的接入，滿足智能水電廠多樣性應用對平臺的要求；

(2)應全面采用面向?qū)ο缶幊陶Z言開發(fā)，非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)庫，全分布全冗余系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，應用編程圖模一體化；

(3)系統(tǒng)開放，數(shù)據(jù)庫、圖形、通信等提供開放標準接口，如IEC 61850、IEC 60970，根據(jù)實際靈活配置，為第三方應用接入提供平臺支持服務。

(4)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及功能發(fā)布符合電力二次安全防護要求，并為跨安全區(qū)數(shù)據(jù)管理與同步提供基礎服務；

(5)應具有豐富統(tǒng)一易用的系統(tǒng)二次開發(fā)、配置、維護工具軟件，具有系統(tǒng)的在線擴充維護功能，特別是數(shù)據(jù)庫的在線定義、編輯、修改、升級功能。

(6)向前兼容，保護用戶長期以來在H9000系統(tǒng)上的投資，確保老系統(tǒng)的用戶應用程序和數(shù)據(jù)的高效移植。

3　H9000 V6.0系統(tǒng)的架構(gòu)

3.1　系統(tǒng)層次架構(gòu)

H9000 V6.0系統(tǒng)采用面向服務的體系架構(gòu)，基于松散耦合的服務封裝，包含了業(yè)務功能、業(yè)務數(shù)據(jù)和其關聯(lián)的接口，適應性強，靈活性好，可為各類復雜的智能應用提供服務支撐。H9000 V6.0系統(tǒng)由下列功能層次構(gòu)成：

(1)硬件層，支持各種國產(chǎn)或進口的計算機硬件平臺，如曙光、浪潮、intel、Sparc、Itanium、power等。

(2)操作系統(tǒng)層：支持Linux、Windows操作系統(tǒng)，也支持AIX、Solaris以及HP-UX等UNIX操作系統(tǒng)。

(3)數(shù)據(jù)層：按照CIM和IEC 61850模型建立水電設備數(shù)據(jù)模型。設備數(shù)據(jù)模型基于面向?qū)ο蠓椒ㄔO計，構(gòu)建完整的設備對象樹。實現(xiàn)iRTDB實時庫、歷史數(shù)據(jù)庫、文件系統(tǒng)級的元數(shù)據(jù)匯集，提供通用的數(shù)據(jù)服務(API、ODBC、CORBA、WEBService)接口。

(4)傳輸層(又稱服務總線)：基于C++實現(xiàn)，建立分布式數(shù)據(jù)傳輸總線，實現(xiàn)跨平臺的消息傳遞、文件操作、進程管理、網(wǎng)絡對象管理、事件異步回調(diào)等。

(5)服務層：實現(xiàn)服務對象的查詢、定位和訪問，實現(xiàn)文件、畫面、數(shù)據(jù)、事件、自診斷、日志等基礎服務。

(6)基礎層：為監(jiān)控等各類應用提供數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、控制、人機聯(lián)系畫面、數(shù)據(jù)庫管理、模型管理等功能支持，并實現(xiàn)這些功能。

(7)應用層：實現(xiàn)監(jiān)控系統(tǒng)各高級功能。亦可完成其他智能決策支持功能，如梯級集控、水情測報與水庫調(diào)度、故障診斷、培訓仿真、工程安全監(jiān)測等應用。

系統(tǒng)支持C/S、B/S兩種架構(gòu)。對于安全I區(qū)和II區(qū)的應用，可采用C/S結(jié)構(gòu)。對于安全III區(qū)的應用，可采用B/S結(jié)構(gòu)。

3.2　全冗余全分布的系統(tǒng)架構(gòu)

H9000 V6.0系統(tǒng)完全繼承了H9000系統(tǒng)高可靠性的優(yōu)點，采用全冗余全分布的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)各計算機節(jié)點配備完整的實時數(shù)據(jù)庫，可安裝有完整并相同的系統(tǒng)功能軟件包。各計算機節(jié)點由系統(tǒng)配置定義完成某種指定的應用功能，并由本地的實時數(shù)據(jù)庫等提供服務。系統(tǒng)取消了主機主備狀態(tài)切換機制，采用服務隊列調(diào)度與切換機制，任一功能均可采用服務管理機制進行服務調(diào)度和故障切換，每個服務均可定義獨立的主機隊列，不同的服務相互獨立，互不影響。任一主機節(jié)點設備故障時，可根據(jù)有關設備的狀態(tài)，并按預先設置的切換策略，進行故障切換處理。因此，任意一臺硬件設備的故障不影響其他設備及系統(tǒng)的正常運行。多年來的實踐表明，全冗余全分布的系統(tǒng)架構(gòu)可以獲得極高的系統(tǒng)可靠性、可擴展性和實時性。

3.3　系統(tǒng)的開發(fā)環(huán)境

H9000 V6.0系統(tǒng)全部采用C++語言實現(xiàn)，確保了整個系統(tǒng)的高性能。數(shù)據(jù)庫支持實時數(shù)據(jù)庫、關系型數(shù)據(jù)庫和非關系型數(shù)據(jù)庫?；诖髷?shù)據(jù)分析與智能應用的需要，H9000 V6.0采用非關系型數(shù)據(jù)庫MongoDB，用于存儲大數(shù)據(jù)與非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)。圖形系統(tǒng)基于QT開發(fā)，實現(xiàn)圖形的跨平臺兼容性及高性能。

4　主要功能

與以前版本相比較，H9000 V6.0系統(tǒng)變化比較顯著的功能及特點如下：

4.1　面向?qū)ο蠡O計

系統(tǒng)采用徹底的面向?qū)ο笏季S進行設計，數(shù)據(jù)、畫面、報警均采用面向?qū)ο蟮慕M織形式。數(shù)據(jù)建模采用設備對象樹的形式進行構(gòu)建，支持采用IEC61850標準對水電廠進行信息的對象化描述和建模。采用面向?qū)ο蟮姆椒ńM織整合實時數(shù)據(jù)、歷史數(shù)據(jù)、報警、調(diào)節(jié)與控制操作，通過對象可索引得到該對象的數(shù)據(jù)屬性、操作屬性和報警狀態(tài)等。實時數(shù)據(jù)庫和歷史數(shù)據(jù)庫均內(nèi)生支持對象類型數(shù)據(jù)的存儲與訪問。畫面采用動態(tài)對象圖元實現(xiàn)設備與流程的對象級展示與動態(tài)切換。

4.2　支持非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)、可在線維護的數(shù)據(jù)庫

H9000 V6.0構(gòu)建了全新的iRTDB實時數(shù)據(jù)庫和基于MongoDB的iHistDB歷史數(shù)據(jù)庫，支持任意類型的對象化數(shù)據(jù)、文件和圖像、視頻、音頻等非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)的存儲，滿足各類應用業(yè)務系統(tǒng)的數(shù)據(jù)管理需要。

可在線編輯、修改、擴充數(shù)據(jù)庫的點、屬性、結(jié)構(gòu)及表，可在線升級數(shù)據(jù)庫，提高系統(tǒng)的可維護性和可用率。提供統(tǒng)一、透明的數(shù)據(jù)庫訪問接口，無論是實時數(shù)據(jù)庫、非關系型數(shù)據(jù)庫，還是Oracle、MySql等商用關系型數(shù)據(jù)庫，都可以用同一套接口進行訪問，簡化應用實現(xiàn)，保護用戶已有的第三方應用的連續(xù)性。實時數(shù)據(jù)庫常駐內(nèi)存，支持高達百萬次/s的數(shù)據(jù)訪問和處理。

實時數(shù)據(jù)庫采用全冗余機制，具有本地訪問快速簡單、同步方便等優(yōu)點，并且在H9000系統(tǒng)中有多年實際應用的歷史。

iHistDB歷史數(shù)據(jù)庫采用分布式集群技術(shù)，通過廉價的通用PC服務器即可搭建高性能、可擴展的歷史數(shù)據(jù)庫，具有易維護、快速故障恢復等優(yōu)點，支持TB級海量歷史數(shù)據(jù)的存儲。

4.3　標準化的公共服務

系統(tǒng)基礎平臺按照SOA架構(gòu)設計，通過服務總線提供的服務原語，為應用開發(fā)和集成提供一組通用的基礎服務。系統(tǒng)提供服務的描述方法、服務代理和服務管理的功能，滿足應用功能對服務的查詢、監(jiān)控、定位和訪問。系統(tǒng)提供的公用服務包括文件傳輸與管理服務、數(shù)據(jù)訪問服務、權(quán)限控制與管理服務、告警服務、日志服務、管理服務、診斷服務、采集服務等?；诜盏募軜?gòu)，可以實現(xiàn)在統(tǒng)一的人機界面上進行畫面組態(tài)，實現(xiàn)設備監(jiān)視與控制，并與后臺的水務計算、防洪演算等進行交互，從而實現(xiàn)業(yè)務一體化集成。

4.4　業(yè)務一體化集成

系統(tǒng)基礎平臺提供安全I、II、III/IV區(qū)內(nèi)統(tǒng)一的系統(tǒng)管理、數(shù)據(jù)分析、圖形、報表等功能支撐接口，完成各個應用的數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)同步、數(shù)據(jù)交換、對外通信、模型管理、文件管理。平臺對于各業(yè)務來說不僅是一個應用環(huán)境，而且還是一個集成開發(fā)環(huán)境，用戶可以在平臺上構(gòu)建和部署自己的應用和接口。系統(tǒng)提供跨安全I、II、III分區(qū)的信息自動同步機制，支持在滿足安全規(guī)范下的不同分區(qū)之間數(shù)據(jù)與信息的平臺級透明傳輸，簡化了不同系統(tǒng)和應用的跨區(qū)交互實現(xiàn)。

4.5　面向?qū)ο蟮闹悄鼙O(jiān)視與報警

系統(tǒng)采用面向?qū)ο蟮脑O計理念，對現(xiàn)場設備可定義不同層級的對象，如I/O信號級、設備級、電站級、流域級等，設備級本身亦可大可小，如斷路器、調(diào)速器、機組或電站等。所有的設備信息應按設備對象進行組織，當機組的某一設備有異常報警信息時，它對應的機組對象圖形狀態(tài)發(fā)生閃爍?？筛鶕?jù)實際運行需要，定義報警的層級，如集控系統(tǒng)只報機組級、電站只報設備級等，尤其在海量數(shù)據(jù)時減少報警數(shù)量，可顯著減輕運行人員的勞動強度。

具有智能報警功能。采集數(shù)據(jù)完成基本處理后，可根據(jù)報警策略進行智能分級報警。智能監(jiān)視功能可根據(jù)運行經(jīng)驗定制智能監(jiān)視策略，如對于油泵、水泵等設備，可根據(jù)其啟停次數(shù)、時間變化，液位、液壓趨勢等規(guī)律的變化監(jiān)視并判斷設備的運行狀態(tài)，在運行異常時才給出報文和語音報警。

4.6　數(shù)據(jù)采集與通信

采集服務器集群或主備設計，不管是采集PLC數(shù)據(jù)，還是與廠內(nèi)其他系統(tǒng)或廠外的調(diào)度通信等，均采用統(tǒng)一的通信組件框架，嵌入具備各種通信協(xié)議組件，擴展方便。系統(tǒng)支持IEC 61850、IEC61970/61968，同時支持目前廣泛應用的IEC 61400-25、IEC60870-5-104、IEC60870-5-101、DNP及CDT等規(guī)約。除完成數(shù)據(jù)交互功能外，還具有完善的數(shù)據(jù)通信調(diào)試手段，如點表自動同步、自動對點、在線報文解析、報文存儲、遙測/遙信調(diào)試、報文監(jiān)視等。所有通信的配置均在統(tǒng)一的DETool配置工具軟件中完成。

4.7　人機聯(lián)系與可視化

人機界面基于QT，實現(xiàn)圖形系統(tǒng)源碼級的跨平臺兼容。采用面向?qū)ο蟮男畔⒔M織和展示方式，一個對象對應一組組合圖元，實現(xiàn)所關聯(lián)對象的主要狀態(tài)顯示和報警顯示。支持多種靜態(tài)、電力、水調(diào)、棒圖、曲線、綜合圖元；支持故障診斷、在線監(jiān)測等分析結(jié)果展示圖元，可動態(tài)擴展；支持動態(tài)圖元及GIF動畫；支持多窗口、多屏；支持報警窗自定義、語音報警、報警確認；對控制過程提供雙席認證機制，提高控制安全和可靠性。采用先進的多窗體技術(shù)，支持水電廠多應用主題信息的集成顯示，在用戶界面上提供應用集成的技術(shù)手段，用控件和容器技術(shù)支持應用集成，可以控件、IE瀏覽器等多種形式接入第三方應用；系統(tǒng)提供基于GIS的信息顯示手段和可視化的展現(xiàn)手段，豐富應用界面的展示效果，突出水電廠宏觀信息、關鍵信息。

4.8　圖模一體化

基于CIM的圖模庫一體化技術(shù)，采用控件形式，支持第三方應用，實現(xiàn)多業(yè)務圖形組態(tài)。利用圖形生成電力設備的拓撲結(jié)構(gòu)，圖形、數(shù)據(jù)庫、模型庫的生成、維護一氣呵成。繪圖的同時，完成一次設備模型的構(gòu)建。根據(jù)開關、刀閘狀態(tài)校驗相關遙測量、遙信量，由面向點轉(zhuǎn)向面向設備對象，進行不同級別的設備對象報警。具有IED設備模型、一次設備模型及管理功能。

4.9　內(nèi)部加密及安全認證機制

系統(tǒng)提供基于對象級的細粒度數(shù)據(jù)訪問和設備操作的權(quán)限控制與驗證機制，支持主機和操作員的責任區(qū)域范圍定義。為滿足日益嚴格的控制系統(tǒng)安全防護要求，系統(tǒng)內(nèi)部的服務調(diào)用和消息通信均提供加密和認證機制，采用CA數(shù)字證書技術(shù)實現(xiàn)用戶驗證和密鑰交換，杜絕未經(jīng)授權(quán)的用戶和應用仿冒數(shù)據(jù)和控制命令。因此，我們可以認為H9000 V6.0系統(tǒng)本質(zhì)是安全的。

5　工具軟件

H9000 V6.0系統(tǒng)提供了IPM和DETool兩大開發(fā)、集成與維護工具軟件，軟件內(nèi)容功能豐富，集成度高，使用方便，不僅顯著提高了系統(tǒng)的可靠性和集成效率，而且大大降低了工具軟件使用及系統(tǒng)集成與維護的難度。

IPM是H9000 V6.0系統(tǒng)的人機聯(lián)系開發(fā)工具軟件，所見即所得，采用圖模一體化、可視化、面向?qū)ο蟮膽镁幊?，可一次性自動生成人機聯(lián)系的圖形、數(shù)據(jù)庫點表、控制邏輯及參數(shù)、一次設備參數(shù)，可任意生成圖形實體，并將其封裝為對象，也可將多個圖形實體或?qū)ο蠓庋b為符合對象。利用對象繪圖或表時，自動生成與對象實體有關的遙測、遙信參數(shù)數(shù)據(jù)庫點表，并自動生成連接關系。

DEtool是系統(tǒng)數(shù)據(jù)工程與系統(tǒng)配置軟件，基于QT，面向?qū)ο?、可視化。與V4.0版相比較，V6.0的DETool不僅集成了原來分離的ControlLock控制閉鎖、PDC綜合計算、Hreport報表編輯等功能軟件，還新開發(fā)并集成了系統(tǒng)配置等功能軟件，可完成系統(tǒng)硬軟件配置、通信接口硬軟件配置、通信配置等，使系統(tǒng)配置、參數(shù)設置等操作全部在統(tǒng)一界面下完成，全部項目工程化數(shù)據(jù)也由數(shù)據(jù)庫統(tǒng)一管理，系統(tǒng)的標準化程度和可維護性顯著提高。

上述兩軟件均具有系統(tǒng)版本升級時用戶數(shù)據(jù)的升級轉(zhuǎn)換功能，如支持畫面、數(shù)據(jù)庫、報表等文件由H9000低版本升級至V6.0。

6　主要技術(shù)特點

(1)數(shù)據(jù)對象化：面向?qū)ο蟮臄?shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，數(shù)據(jù)組織和表現(xiàn)可根據(jù)需要靈活修改，可建立統(tǒng)一規(guī)范的水電廠信息模型；

(2)模型標準化：支持IEC 61850及IEC 61970/61968，支持面向?qū)ο缶幊蹋?/p>

(3)信息標準化：包括統(tǒng)一的服務、信息以及數(shù)據(jù)交換標準；

(4)系統(tǒng)平臺化：統(tǒng)一的管控、數(shù)據(jù)及人機聯(lián)系平臺及界面；

(5)平臺開放化：以公開的標準、自定義的接口向第三方應用開放；既支持IEC 61850，也支持其他常用電力通信規(guī)約；

(6)支持非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)存儲，可在線修改、擴充、維護數(shù)據(jù)庫；

(7)集成工具化：高度集成的系統(tǒng)開發(fā)與集成工具，圖-模-庫一體化，所見即所得；

(8)內(nèi)置的系統(tǒng)加密和安全認證機制；

(9)系統(tǒng)向前兼容，保護用戶的投資。

7　iP9000智能一體化平臺的構(gòu)建

H9000 V6.0系統(tǒng)可用于構(gòu)建iP9000智能平臺，或智能一體化平臺。

鑒于H9000 V6.0是一個高度支持開放的系統(tǒng)，可在其上構(gòu)建各種專業(yè)應用，如監(jiān)控、水情水調(diào)、安全監(jiān)測、故障分析與診斷、培訓仿真等。應根據(jù)電力二次安全防護的規(guī)定，對上述各專業(yè)應用系統(tǒng)進行分區(qū)管理，如橫向隔離、縱向加密等。

iP9000智能平臺就是由H9000 V6.0構(gòu)成的多專業(yè)應用、跨安全區(qū)的全廠統(tǒng)一數(shù)據(jù)平臺。H9000 V6.0為跨安全區(qū)的數(shù)據(jù)互通、互聯(lián)與互動統(tǒng)一提供的服務。各專業(yè)應用系統(tǒng)的有序協(xié)調(diào)互通互動，實現(xiàn)水電廠發(fā)電生產(chǎn)、運行、維護過程的決策智能化、控制自動化、效益最大化，少人乃至無人干預，就是智能化水電廠。

智能水電廠建設涉及到水電廠發(fā)電生產(chǎn)運行管理的方方面面，智能化系統(tǒng)及裝置眾多，沒有任何一個制造商具備提供全套智能水電廠解決方案的能力，但智能一體化平臺應是唯一的。該一體化平臺應能支持不同專業(yè)應用的開發(fā)、運行、監(jiān)控與管理。

鑒于H9000 V6.0系統(tǒng)是面向服務開發(fā)的全冗余全分布開放系統(tǒng)，目標是為不同的專業(yè)應用提供平臺服務與支持，不同專業(yè)應用可根據(jù)其復雜程度或模塊化程度，采用下列方式接入平臺，完成專業(yè)應用的開發(fā)、集成、運行及維護管理（圖1）。

圖1　iP9000智能平臺各類應用的接入模式

（1）A模式：iP9000平臺在數(shù)據(jù)庫、基礎服務、人機聯(lián)系、應用功能等方面全面支持應用，如水電廠的各類控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集與管理系統(tǒng)、水情與水調(diào)系統(tǒng)等，可根據(jù)用戶需求直接進行工程化系統(tǒng)集成。

（2）B模式：iP9000平臺在數(shù)據(jù)庫、基礎服務、人機聯(lián)系等方面提供支持，實現(xiàn)統(tǒng)一平臺，數(shù)據(jù)共享，互聯(lián)互動等，但需開發(fā)或移植該類專業(yè)應用的核心計算或分析模塊。如清江項目的第三方軟件已按B模式接入，合作方僅需提供功能的核心計算分析功能，iP9000平臺完成數(shù)據(jù)庫、圖形、人機聯(lián)系等其他功能。

（3）C模式：對于某些十分復雜、龐大的專業(yè)應用，可維持專業(yè)應用的軟件結(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)及人機界面不變，通過數(shù)據(jù)庫表的映射，iP9000平臺提供數(shù)據(jù)服務等基礎服務，實現(xiàn)平臺對數(shù)據(jù)的統(tǒng)一管理，與專業(yè)應用的數(shù)據(jù)共享。

8　結(jié)語

H9000 V6.0是針對水電智能化建設需要而研發(fā)的新產(chǎn)品，滿足水電應用對測控數(shù)據(jù)平臺安全、可靠、互聯(lián)、互通、互動、開放、兼容等方面的要求，既支持IEC 61850標準，又兼顧現(xiàn)狀，支持其他標準規(guī)約設備的接入，為水電廠各智能應用的開發(fā)和接入提供了一個很好的統(tǒng)一開放的數(shù)據(jù)管理、開發(fā)維護、運行管理平臺，可廣泛應用于構(gòu)建各類專業(yè)系統(tǒng)，如監(jiān)控系統(tǒng)、水情水調(diào)系統(tǒng)、大數(shù)據(jù)管理與分析系統(tǒng)、故障診斷系統(tǒng)等，也可用于構(gòu)建水電廠跨安全區(qū)的統(tǒng)一智能數(shù)據(jù)平臺。

參考文獻：

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